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«Pénurie d’électricité hivernale»: CCF et pompe à chaleur en tant que remède percutant

La combinaison d’un groupe couplage chaleur-force exploité au biogaz, au gaz naturel ou au gaz synthétique («hydrogène vert» (boîtier jaune à gauche dans l‘image) avec une pompe à chaleur (boîtier à droite dans l’image) ne prend que peu de place et peut réduire sensiblement les coûts de chauffage.

Ce schéma illustre de quelle manière un effet levier peut être visé, grâce à la combinaison installation de cogénération et pompe à chaleur: Depuis la quantité d’énergie initiale, laquelle est établie sous forme de biogaz ou gaz naturel dans le système combiné (= 100%), les CCF et PAC gagnent une double quantité d’énergie. A l‘inverse: Celui qui consomme la même quantité d’énergie utile comme jusqu’à présent, ne consommera plus que 50% de l’énergie primaire engagée à ce jour avec un tel système.

Etant donné que la propre production d’électricité en Suisse est insuffisante en hiver, nous importons du courant à bas tarif, mais fortement pollué en CO2 provenant de centrales à charbon et nucléaires européennes. La solution combinée d’un groupe couplage chaleur-force (CCF) et pompe à chaleur n’est guère prise en considération à ce moment-là. Elle serait pourtant bien plus attrayante, non seulement du point de vue des émissions de CO2, notamment pour les planificateurs, les maîtres d’ouvrage et les usagers de biens fonciers – les coûts d’exploitation parlent, eux aussi, un langage clair.

Pourquoi la „pénurie d’électricité hivernale“ existe-t-elle en Suisse?

Il y a 25 ans encore, personne ne parlait du fait que la Suisse disposerait un jour de trop peu de courant autoproduit au cours de l’année et qu’elle devra en importer. Mais ceci a bien changé ces 20 dernières années. «Dans la construction de bâtiments, on mise de plus en plus sur les pompes à chaleur pour chauffer les immeubles, la population augmente et consomme de manière générale davantage de courant», indique Jörg Jermann, responsable des centrales de cogénération chez Avesco. Les pompes à chaleur sont enrôlées dans la construction d’appartements, de locaux de prestataires de service et dans la construction artisanale/industrielle. Elles sont bien plus efficientes et – à première vue – moins polluantes que les chauffages à mazout et au gaz. Mais, elles exigent du courant et, le grand nombre de nouvelles pompes à chaleur avait pour conséquence que la demande en électricité dépassait, selon les phases, l’offre produite sur le territoire national, notamment en automne, en hiver et au printemps. De plus, les installations photovoltaïques qui génèrent une partie de la production de courant, fournissent bien moins de courant en hiver qu’en été, soit près d’un septième en moins. En janvier déjà, les lacs de rétention ne sont en partie qu’à peine remplis de moitié et fournissent nettement moins d’énergie durant les mois de printemps. C’est donc pour pallier à cette pénurie de courant que la Suisse importe de l’électricité durant la saison plus froide, courant qui provient de l’étranger et produite, par exemple, dans des centrales à charbon, nucléaires et à gaz allemandes. Au mois de décembre 2020, le pourcentage de ces productions à fortes émissions CO2 comportait 72% du volume total du courant produit en Allemagne.

Comment peut-on économiser avec un CCF et une pompe à chaleur?

La combinaison d’une centrale de cogénération et d’une pompe à chaleur est une possibilité nettement plus avantageuse pour chauffer des bâtiments à faibles émissions de carbone. Un CCF exploité avec du biogaz, gaz naturel ou du gaz synthétique («hydrogène vert») fournit une énergie soi-disant active, en d’autres termes, il n’a pas besoin de générer constamment une certaine puissance de base, mais peut être enclenché et coupé facilement et rapidement en cas de besoin. Il se différencie des générateurs passifs, telles que les installations éoliennes ou photovoltaïques (PV) qui dépendent des influences extérieures – donc du vent ou du soleil. Durant les mois plus ensoleillés, avec des températures moyennes relativement chaudes et, lorsque les prix d’électricité sont tendanciellement plus bas, compte tenu de la haute production livrée par des installations photovoltaïques, le CCF peut rester déconnecté et l’on utilise le réseau de courant habituel ou, si existant, la propre installation PV pour activer la pompe à chaleur. L’eau usée et l’eau de chauffage peuvent ainsi être chauffées avec une énergie primaire pratiquement neutre en CO2. Cependant, durant les mois moins ensoleillés, avec des températures sensiblement plus basses et des prix d’électricité plus élevés, le CCF s’enclenche et génère de l’électricité pour la pompe à chaleur et, en outre, de la chaleur sur un niveau de température d’environ 15 à 20 °C supérieur. Le CCF permet d’atteindre des températures aller de jusqu’à 95°. «Le système associant un CCF et une pompe à chaleur est conçu pour une durée de vie se situant entre 20 et 25 ans», indique Jörg Jermann. «Durant cette période, les dépenses pour le chauffage d’un immeuble sont approximativement de 30 à 50% inférieures par rapport aux chaudières à gaz et au mazout précédentes, et ce, malgré l’investissement dans les deux installations. La variante avec un système combiné est encore plus avantageuse lorsqu’un chauffage au gaz existant est simplement remplacé par un nouveau chauffage. La solution combinée est très souvent rentable et, de surcroît, bien plus respectueuse de l’environnement.»

A partir de quelle ampleur de projet, la solution combinée est-elle lucrative?

La combinaison incluant un (petit) CCF et une pompe à chaleur n’est guère indiquée pour une maison individuelle, vu le montant de l’investissement. «Dans le domaine des maisons individuelles, il serait souhaitable et, certainement aussi plus avantageux à long terme, de préconiser la construction de réseaux thermiques de quartier pour, par exemple, 100 à 200 maisons, qui seraient approvisionnées par une centrale d’énergie. La construction d’appartements avec un besoins énergétique d’environ 60 kW serait intéressante pour les solutions individuelles. Dans de tels cas, le principe avec l’Hybridbox fabriquée sous licence serait réalisé» Il est toutefois important d’examiner toujours la situation cas par cas, explique Jörg Jermann. Pour les immeubles exploités artisanalement ou industriellement ou bien les constructions publiques, comme les services d’entretien, les complexes scolaires, les maisons de retraite, les hôpitaux etc., la combinaison devrait toujours être prise en compte et évaluée. Jermann: «Ces bâtiments ont fréquemment de très grandes surfaces du toit à disposition pour des installations photovoltaïques. La chaleur et l’électricité peuvent donc être générées du toit et l’approvisionnement autonome de courant et de chaleur est ainsi assuré durant la nuit et par mauvais temps, grâce à la centrale de cogénération.»

Photovoltaïque, CCF, pompe à chaleur: A quelle période, une telle installation devra-t-elle être enrôlée?

L’avantage d’un système autonome avec plusieurs agrégats est évident: On utilise toujours la technique, dont l‘énergie primaire la plus avantageuse est à disposition. La flexibilité du CCF, déjà citée, en tant que fournisseur «Power-on-Demand»  est un avantage particulier. Les périodes suivantes sont proposées en Suisse:
 

D’avril à octobre:

Pompe à chaleur, exploitée avec du courant issu du réseau d’électricité ou d’une propre photovoltaïque.

De novembre à mars:

CCF au bio-méthane, CCF au biogaz ou au gaz synthétique («hydrogène vert»), le CCF produit du courant pour la pompe à chaleur.
 

Les projets réalisés en Suisse – un exemple pratique du canton de Zurich

De telles solutions combinées ont déjà été réalisées pour toute une série de projets de constructions de logements et commerciales en Suisse, dont certaines il y a quelques années déjà. «A première vue, les planificateurs et les maîtres d’ouvrages supposaient plutôt un renchérissement des coûts et c’est la raison pour laquelle le principe combiné ne s’est pas davantage répandu», indique Jermann.

Mais les chiffres relevés d’un projet dans le canton de Zurich, qui doit être réalisé en 2022, montre le potentiel:
 

Grandeur du projet: Lotissements avec 325 appartements en copropriété
Année de construction de l‘immeuble: années 1975-1980
Type de chauffage jusqu’alors: chaudière à gaz (100% de gaz naturel)
Consommation par an: env. 5.2 millions de kWh de gaz naturel
 

Solution combinée:

1 CCF Avesco, Puissance: électrique 200 kW, thermique 340 kW
1 pompe à chaleur air-eau avec une puissance de courant absorbé de max. 190 kW, puissance calorifique entre 350 kW à -2°C jusqu’à 500 kW à 5°C de température extérieure
 

L’économie de consommation de gaz naturel, approximativement évaluée, est d’env. 2.2 millions de kWh / an (correspond à une réduction de 42%), ce qui entraîne une économie des coûts de gaz naturel d’environ 190'000 CHF par an, soit une réduction de 42%.

«Parmi tous les systèmes de chauffage alternatifs liés à ce projet d’assainissement, la combinaison comprenant un CCF et une pompe à chaleur atteignait, avec 7.6 centimes par kWh, le prix de chauffage le plus bas», explique Jörg Jermann. Sans compter les subventions de compensation CO2 allouées. Avec la part croissante d’énergie renouvelable, celles-ci augmenteront encore sur toute la durée d'exploitation du CCF de 30 à 50 ans.

La quantité plus petite d’énergie primaire nécessitée permet d’acquérir davantage d’énergie primaire plus écologique, par exemple, avec un pourcentage de 20%, voire même de 50% de  biogaz, sans toutefois renchérir sensiblement les coûts de chauffage pour les propriétaires d’appartements. Les émissions CO2 sont alors approximativement de 50 à 70% inférieurs, par rapport à l’ancien système de chauffage.

La combinaison a de très nombreux avantages, du fait que les profits des deux types d’installations s’additionnent. Lorsque, par exemple, la place pour un champ géothermique manque ou si celui-ci est trop restreint, la quantité de chaleur ainsi que l’énergie de transmission sera générée par le CCF. Au cas où les températures aller requises étaient trop faibles avec une PAC, le CCF les relèveraient de 10 à 20 °C.

Comparaison avec une centrale thermique de chauffage urbain (centrale thermique à combustion)

La solution avec CCF et pompe à chaleur peut également être intéressante pour  les réseaux de chaleur urbains et, il existe déjà de premiers projets qui ont reconnu les avantages flagrants de ce principe. En Suisse, les réseaux de chaleur urbains perçoivent fréquemment leur énergie thermique de centrales thermiques à combustion, dans lesquelles des copeaux de bois ou des déchets  sont brûlés. Ces réseaux de chaleur urbains ont tendanciellement des coûts de production de chaleur plus onéreux dans la comparaison globale des coûts. Ceci est dû, entre autres, aux coûts élevés pour les adaptations constructives exigées, par exemple, pour une centrale à bois. Un bâtiment pour l’emmagasinage des copeaux de bois et des voies de transport pour la livraison de ces copeaux doivent fréquemment être réalisés. Jörg Jermann: «Lorsqu’un chauffage au gaz ou au mazout est remplacé, on le démonte et la place ainsi libérée suffira en général amplement pour y installer un CCF avec une pompe à chaleur. Toute adaptation constructive significative n’est alors pas nécessaires.»

De plus, et ces derniers mois l’ont clairement démontré, le bois, le gaz naturel et l’électricité sont assujettis au marché international. D‘importantes augmentations de prix imprévues en peu de temps renchérissent les coûts de chauffage. Avec la combinaison incluant un CCF et une PAC, les fournisseurs de chaleur et de courant sont plus autonomes et donc moins dépendants des coûts d’énergie primaire. Les situations du prix du gaz, de l’électricité, du bois ou également des déchets, et Jermann en est convaincu, seront vraisemblablement soumises à de très fortes fluctuations à l’avenir. Il est donc judicieux d’exploiter une centrale énergétique avec diverses énergies primaires: «Le tout à sa place avec la meilleure efficacité!»
 

Solution combinée à succès avec un CCF au gaz de digestion: ARA Seez

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